CN113782868B - 一种新型的电动汽车两相浸没式液冷系统与冷启动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电动汽车应用技术领域，提供了一种新型的电动汽车两相浸没式液冷系统与冷启动系统。电动汽车运行时，利用氟化液的潜热和显热吸收箱体内电池组热量，形成的氟化液蒸气被直流压缩机压缩，进入冷凝器冷凝，经电磁膨胀阀节流降温，循环至电池组箱体内。冷启动时，利用四通换向阀使直流压缩机出口处的高温氟化液蒸气通入箱体内，在电池表面液化放出相变潜热，使电池组均匀升温。相比于传统电动汽车冷却系统与冷启动系统具有以下优点：电池组冷却与冷启动系统为同一系统，利用四通换向阀改变蒸气流向，实现两个系统的切换，简化电动汽车内部结构；浸没式液冷系统无需额外的冷凝循环系统。冷启动时，循环将外界的热量泵入箱体内，节省能量。

Description

一种新型的电动汽车两相浸没式液冷系统与冷启动系统
技术领域
本发明属于电动汽车应用技术领域，具体涉及一种新型的电动汽车两相浸没式液冷系统与冷启动系统。
背景技术
随着电动汽车领域的快速发展，目前电动汽车所应用的领域愈发广泛，电池组作为电动汽车的核心部件之一，电池组的工作温度直接影响到电动汽车的续航里程和寿命。当外界环境温度过低时，会导致电池组放电深度降低，当电池组在工作过程中冷却条件过差，电池组温度分布不均匀，会导致电池组寿命缩短。因此设计一种高效可靠的电池组冷启动系统和冷却系统是提升电动汽车续航里程、延长电池组寿命的必要条件。
目前电动汽车中电池组冷却系统所采用的方式主要有：风冷散热、液冷散热以及目前倍受学者关注的两相浸没式液冷。例如肖和柏等人在“一种风冷式电动汽车锂电池箱”专利中(专利号：201921031095.8)提出通过在锂电池箱体一侧安装风冷散热组件，通入外界的空气，利用强迫对流实现电池组进行散热。该装置结构简单，占用车体空间较小，便于安装和维修。
例如宋林霏等人在“一种集成液冷功能的锂电池模组”专利中(专利号：202110216487.7)设计了一种集成液冷供能的锂电池模组，通过在液冷板中通入冷却液，通过在液冷板与电池之间均匀的涂抹导热胶来传递热量，循环的冷却液将电池表面传递至液冷板上的热量带走，以此来冷却电池组。该装置利用具有高比热容的冷却液对电池组进行冷却，冷却效果好。
例如张建明等人在“一种浸没式液冷电池包”专利中(专利号：201911126078.7)提出将电池浸没在具有低相变点的冷却介质中，利用冷却介质的显热和潜热来吸收电池组在工作过程中吸收的热量。该装置结构简单，可以实现对电池组的均匀冷却，装置可靠。
但是传统的电池组冷却方式存在一些不足，风冷散热受到外界环境温度的影响较大，并且空气的比热容较低，当电动汽车处于高功率运行时，风冷散热无法对电池组进行充分的冷却。液冷散热的冷却液循环系统较为复杂，不利于电动汽车向小型化，轻量化发展。浸没式液冷系统对电池组的冷却效果好，但是该系统需要一套额外的冷凝系统，极大的增加了系统的复杂性。
目前电动汽车冷启动系统主要采用的预热方式主要有：电加热、热泵加热。例如田恩平等人在“一种纯电动汽车电池包预加热系统”专利中(专利号：201910619273.7)提出利用覆盖在电池包表面的电池包电加热膜对电动汽车电池包进行预热，利用导热将温度传至整个电池组，实现对整个电池组的预热。该系统结构简单，节省车辆内部空间，维修便捷。
例如董维平等人在“一种电动汽车热泵空调与电池组热管理系统”专利中(专利号：201510515777.6)提出利用电动汽车空调热泵将环境的热量通过暖风传递至电池组，实现在低温环境中电池组的均匀升温。该系统结构简单，可以实现电池组的均匀升温，且耗电量小。
但是传统的电动汽车冷启动系统存在一些不足，利用电加热对电池组进行预热，会导致电池组温度分布不均，造成温差热应力较大，缩短电池组的寿命。利用热泵加热的方式对电池组进行预热，由于空气的比热容较小，因此电池组升温速度缓慢，无法实现电动汽车的快速冷启动。
目前大多数电动汽车的冷却系统和冷启动系统是独立的两个系统，这极大的增加了电动汽车内部系统的复杂程度，增加了电动汽车的重量，从而降低了电动汽车的续航里程，阻碍电动汽车朝着小型化、轻量化发展。
发明内容
鉴于上述电动汽车冷却系统和冷启动系统的不足，本发明提出了一种新型的电动汽车两相浸没式液冷系统与冷启动系统，将两相浸没式液冷系统与冷启动系统结合，共同使用一套系统，利用单片机控制四通换向阀，将直流压缩机出口处的高温氟化液蒸气通入电池箱或换热器中，从而实现了冷启动系统与两相浸没式液冷系统之间的切换。浸没式液冷可以保证车辆正常运行时电池组温度均匀，且冷却效果好，冷启动系统利用氟化液蒸气相变潜热使电池组均匀升温，可以实现电动汽车低温条件下的快速冷启动，从而达到简化电动汽车内部结构，减少电动汽车重量，节省能量，提升电动汽车续航里程的目的。
本发明的技术方案：
一种新型的电动汽车两相浸没式液冷系统与冷启动系统，包括两相浸没式液冷系统和冷启动系统；冷启动系统与两相浸没式液冷系统共用同一系统，均包括方形电池1、氟化液2、四通换向阀3、气液分离器4、直流压缩机5、换热器6、电磁膨胀阀7、单片机8、温度传感器9和箱体10；
方形电池1浸没在箱体10的氟化液中2；温度传感器9布置于方形电池1表面与氟化液2中，用于实时监控温度，并将信号传至单片机8内，利用单片机8控制四通换向阀3内介质的流向和电磁膨胀阀7的开度；常温常压的氟化液流经电磁膨胀阀7后形成低温低压的氟化液；四通换向阀3中的Ⅳ通道同箱体10相通，Ⅱ通道同气液分离器4相通；气液分离器4分别通过管道同箱体10和直流压缩机5相通；四通换向阀3中的Ⅲ通道同直流压缩机5连通，Ⅰ通道同换热器6相通；换热器6经电磁膨胀阀7同箱体1相通，换热器6用于将蒸气同外界换热与液化；电动汽车工作时，利用氟化液2吸收电池组放出的热量；当氟化液2温度沸点时，利用潜热带走电池组热量；四通换向阀3中的Ⅱ、Ⅳ通道相通，Ⅰ、Ⅲ通道连通；形成的氟化液蒸气通过四通换向阀3的Ⅱ、Ⅳ通道进入气液分离器4，氟化液蒸气中携带的氟化液液滴分离；分离的氟化液液滴聚集在气液分离器4底部，并回流至箱体10内；分离的氟化液蒸气进入直流压缩机5中，形成高温高压的氟化液蒸气；高温高压的氟化液蒸气依次通过四通换向阀3的Ⅲ通道、Ⅰ通道进入换热器6，形成常温常压的氟化液2；常温常压的氟化液2流经电磁膨胀阀7后形成低温氟化液2，进入箱体10内冷却方形电池1；
方形电池1和氟化液2温度低于0℃时，冷启动系统工作；单片机8控制四通换向阀3使Ⅰ、Ⅱ通道连通，Ⅲ、Ⅳ通道连通；直流压缩机5出口处的高温氟化液蒸气，经过四通换向阀3的Ⅲ、Ⅳ通道进入箱体10；高温氟化液蒸气在低温的方形电池1表面液化释放潜热，电池组均匀、快速升温；氟化液2液滴聚集在箱体10底部，流经电磁膨胀阀7形成低温氟化液2液体；流经换热器6后汽化，形成的氟化液蒸气经过四通换向阀3的Ⅰ、Ⅱ通道后进入气液分离器4；分离的氟化液液滴回流至电磁膨胀阀7入口处后流入换热器6，分离出来的氟化液蒸气进入直流压缩机5，被压缩后的高温氟化液蒸气再次通过四通换向阀3的Ⅲ、Ⅳ通道进入箱体10内，对电池组进行升温；待电池组温度升至10至20摄氏度时，单片机8控制冷启动系统工作结束，车辆正常启动。
所述的四通换向阀3通过单片机8进行控制，车辆冷启动时四通换向阀Ⅰ、Ⅱ通道连通，Ⅲ、Ⅳ通道连通，车辆电池组冷却时Ⅰ、Ⅲ通道连通，Ⅱ、Ⅳ联通，从而实现两种系统之间的切换。
所述的气液分离器4安装在直流压缩机5进气口处，用于分离氟化液蒸气中带有的液滴，避免液滴进入直流压缩机5中发生液击现象，损坏压缩机。
所述的直流压缩机5直接利用电动汽车所提供的直流电作为动力。
所述的箱体10外侧有保温层，减少外界环境对箱体10内部电池组的影响，并且上述氟化液流动管道外侧均有保温层。
所述的单片机8用于监测方形电池1表面的温度，控制电磁膨胀阀7开度和控制四通换向阀3内介质的流向。
所述的箱体10内压力波动小，对车辆进行冷却或冷启动过程中箱体10内均为常压或微负压。
本发明的有益效果
1)电动汽车两相浸没式液冷系统与冷启动系统共用一个系统，利用单片机控制四通换向阀实现两个系统之间的切换。
2)两相浸没式液冷系统无需额外的冷凝系统，极大的简化了电动汽车内部结构，降低了电动汽车的重量。
3)电动汽车正常运行时，电池组利用两相浸没式液冷，可以保证电池组温度场均匀，且冷却效果好。
4)电动汽车冷启动时，将高温氟化液蒸气通入箱体内，在低温电池表面液化，释放出相变潜热实现对电池组的均匀升温和快速冷启动。
5)电动汽车冷启动时，该系统可以将环境中的热量泵入箱体内，节省能量，提升了电动汽车续航里程。
附图说明
图1为一种新型的电动汽车两相浸没式液冷系统示意图。
图2为一种新型的电动汽车冷启动系统示意图。
图中：1方形电池；2氟化液；3四通换向阀；4气液分离器；5直流压缩机；6换热器；7电磁膨胀阀；8单片机；9温度传感器；10箱体。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。但是应当理解，这些描述只是为了进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
本发明公开了一种新型的电动汽车两相浸没式液冷系统与冷启动系统，包括两相浸没式液冷系统和冷启动系统：
其中两相浸没式液冷系统包括：方形电池1、氟化液2、四通换向阀3、气液分离器4、直流压缩机5、换热器6、电磁膨胀阀7、单片机8、温度传感器9、箱体10。方形电池1浸没在氟化液中2，在电动汽车工作时，利用氟化液2显热吸收电池组放出的热量，随着氟化液2温度的升高，升至氟化液沸点温度时，氟化液2气化，利用潜热带走电池组热量。此时四通换向阀3的Ⅰ、Ⅲ通道连通，Ⅱ、Ⅳ通道连通，形成的氟化液蒸气通过四通换向阀3的Ⅱ、Ⅳ通道进入气液分离器4将氟化液2蒸气中携带的氟化液2液滴分离，避免液滴进入压缩机后发生液击现象；分离出的氟化液2液滴聚集在气液分离器4底部，回流至箱体10内，通过气液分离器4分离的氟化液2蒸气进入直流压缩机5中，形成高温高压的氟化液2蒸气，蒸气通过四通换向阀3的Ⅰ、Ⅲ通道进入到换热器6中；高温高压的氟化液2蒸气与外界换热液化，形成常温常压的氟化液2，流经电磁膨胀阀7后形成低温氟化液2，进入箱体10内冷却方形电池1，在方形电池1表面布置有温度传感器9，用于实时监控电池温度，将信号传至单片机8内，利用单片机8控制电磁膨胀阀7开度，以调整氟化液2入口温度。
冷启动系统包括方形电池1、氟化液2、四通换向阀3、气液分离器4、直流压缩机5、换热器6、电磁膨胀阀7、单片机8、温度传感器9、箱体10。冷启动系统与两相浸没式液冷系统共用同一系统，单片机8控制四通换向阀3使Ⅰ、Ⅱ通道连通，Ⅲ、Ⅳ通道连通。压缩机5出口处的高温氟化液蒸气，经过四通换向阀3Ⅲ、Ⅳ通道进入箱体10，高温氟化液蒸气在低温的方形电池1表面凝结，释放相变潜热，使电池组均匀升温，氟化液2液滴聚集在箱体10底部，流经电磁膨胀阀7，经节流后形成低温氟化液2液体，经过换热器6吸收外界的热量后气化，形成的低温氟化液蒸气经过四通换向阀3的Ⅰ、Ⅱ通道后进入气液分离器4，分离出来的氟化液液滴回流至电磁膨胀阀7入口，分离出来的氟化液蒸气进入直流压缩机5，被压缩后的高温氟化液蒸气再次进入箱体10内，对电池组进行升温。在电池组表面上布置的温度传感器9用于实时监控电池组的温度，待电池组温度升至10至20摄氏度时，单片机8控制冷启动过程结束，车辆可正常启动。
下面通过一个完整的实施方式对上述一种新型的电动汽车两相浸没式液冷系统与冷启动系统进行详细说明。
如图1所示，当电动汽车处于正常的工作状态时，方形电池1浸没在液态氟化液2中，方形电池1工作过程中产生的热量被氟化液2的潜热和显热吸收，单片机8控制四通换向阀3的Ⅰ、Ⅲ通道连通，Ⅱ、Ⅳ通道连通，氟化液蒸气通过四通换向阀3的Ⅱ、Ⅳ通道，进入气液分离器4中；气液分离器4将氟化液蒸气与氟化液液滴分离，分离出来的氟化液液滴汇聚在气液分离器4底部，并回流至电磁膨胀阀7入口前；通过气液分离器4的氟化液蒸气进入直流压缩机5中，被压缩成高温高压的氟化液蒸气，通过四通换向阀3的Ⅰ、Ⅲ通道进入换热器6，与外界环境换热、冷凝成常温常压的氟化液2，氟化液2经电磁膨胀阀7节流后形成低温低压的氟化液2，流入箱体10内对电池组进行冷却。电磁膨胀阀7受单片机8的控制，根据方形电池1表面布置的温度传感器9反馈的信号，单片机8控制电磁膨胀阀7的开度，从而实现对进入箱体10内氟化液2的温度进行调节，以应对不同的载荷。
如图2所示，当车辆处于低温环境时，电动汽车的冷启动系统开始运行，单片机8控制四通换向阀3使Ⅰ、Ⅱ通道连通，Ⅲ、Ⅳ通道连通。从直流压缩机5中排出的高温氟化液蒸气通过四通换向阀3的Ⅲ、Ⅳ通道，流进箱体10内，高温氟化液蒸气在方形电池1表面液化，放出相变潜热，使电池组均匀、快速的升温，液化后的氟化液2液滴聚集在箱体10底部，流经电磁膨胀阀7，经节流后形成低温氟化液2液体，流经换热器6吸收外界的热量后气化，氟化液蒸气经过四通换向阀3的Ⅰ、Ⅱ通道后流入气液分离器4中，气液分离器4将氟化液蒸气与氟化液液滴分离，分离出来的氟化液液滴聚集在气液分离器4底部，并回流至电磁膨胀阀7入口前，分离出来的氟化液蒸气进入直流压缩机5，被压缩后的高温氟化液蒸气再次进入箱体10内，对电池组进行预热。
综上所述，本发明公开了一种新型的电动汽车两相浸没式液冷系统与冷启动系统，将两相浸没式液冷系统与冷启动系统结合，共同使用一套系统，利用单片机8控制四通换向阀3，将直流压缩机5出口处的高温氟化液蒸气通入电池箱体10或换热器6中，从而实现了冷启动系统与两相浸没式液冷系统之间的切换，利用方形电池1表面布置的温度传感器9实时监控电池组的温度，通过单片机8对冷却和冷启动过程进行实时的调整。从而达到简化电动汽车内部结构，减少电动汽车重量，节省能量，提升电动汽车续航里程的目的。
以上所述的具体示例，对本公开的技术方案以及有益效果进行了详尽的阐述，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体示例而已，并不限制本发明。图中各元件的尺寸和形状不反应真实大小和比例，而仅表示本示例的内容。凡是在本公开的原则和精神上，所做的任何修改、改进以及等同替换等，均在本公开的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种新型的电动汽车两相浸没式液冷系统与冷启动系统，其特征在于，该新型的电动汽车两相浸没式液冷系统与冷启动系统包括两相浸没式液冷系统和冷启动系统；冷启动系统与两相浸没式液冷系统共用同一系统，均包括方形电池(1)、氟化液(2)、四通换向阀(3)、气液分离器(4)、直流压缩机(5)、换热器(6)、电磁膨胀阀(7)、单片机(8)、温度传感器(9)和箱体(10)；
方形电池(1)浸没在箱体(10)的氟化液中(2)；温度传感器(9)布置于方形电池(1)表面与氟化液(2)中，用于实时监控温度，并将信号传至单片机(8)内，利用单片机(8)控制四通换向阀(3)内介质的流向和电磁膨胀阀(7)的开度；常温常压的氟化液流经电磁膨胀阀(7)后形成低温低压的氟化液；四通换向阀(3)中的Ⅳ通道同箱体(10)相通，Ⅱ通道同气液分离器(4)相通；气液分离器(4)分别通过管道同箱体(10)和直流压缩机(5)相通；四通换向阀(3)中的Ⅲ通道同直流压缩机(5)连通，Ⅰ通道同换热器(6)相通；换热器(6)经电磁膨胀阀(7)同箱体(10)相通，换热器(6)用于将蒸气同外界换热与液化；电动汽车工作时，利用氟化液(2)吸收电池组放出的热量；当氟化液(2)温度沸点时，利用潜热带走电池组热量；四通换向阀(3)中的Ⅱ、Ⅳ通道相通，Ⅰ、Ⅲ通道连通；形成的氟化液蒸气通过四通换向阀(3)的Ⅱ、Ⅳ通道进入气液分离器(4)，氟化液蒸气中携带的氟化液液滴分离；分离的氟化液液滴聚集在气液分离器(4)底部，并回流至箱体(10)内；分离的氟化液蒸气进入直流压缩机(5)中，形成高温高压的氟化液蒸气；高温高压的氟化液蒸气依次通过四通换向阀(3)Ⅲ通道、Ⅰ通道进入换热器(6)，形成常温常压的氟化液(2)；常温常压的氟化液(2)流经电磁膨胀阀(7)后形成低温氟化液(2)，进入箱体(10)内冷却方形电池(1)；
方形电池(1)和氟化液(2)温度低于0℃时，冷启动系统工作；单片机(8)控制四通换向阀(3)使Ⅰ、Ⅱ通道连通，Ⅲ、Ⅳ通道连通；直流压缩机(5)出口处的高温氟化液蒸气，经过四通换向阀(3)Ⅲ、Ⅳ通道进入箱体(10)；高温氟化液蒸气在低温的方形电池(1)表面液化释放潜热，电池组均匀、快速升温；氟化液(2)液滴聚集在箱体(10)底部，流经电磁膨胀阀(7)形成低温氟化液(2)液体；流经换热器(6)后汽化，形成的氟化液蒸气经过四通换向阀(3)Ⅰ、Ⅱ通道后进入气液分离器(4)；分离的氟化液液滴回流至电磁膨胀阀(7)入口处后流入换热器(6)，分离出来的氟化液蒸气进入直流压缩机(5)，被压缩后的高温氟化液蒸气再次通过四通换向阀(3)Ⅲ、Ⅳ通道进入箱体(10)内，对电池组进行升温；待电池组温度升至10至20摄氏度时，单片机(8)控制冷启动系统工作结束，车辆正常启动。
2.根据权利要求1所述的一种新型的电动汽车两相浸没式液冷系统与冷启动系统，其特征在于，所述的直流压缩机(5)直接利用电动汽车所提供的直流电作为动力。
3.根据权利要求1或2所述的一种新型的电动汽车两相浸没式液冷系统与冷启动系统，其特征在于所述的箱体(10)外侧有保温层，减少外界环境对箱体(10)内部电池组的影响，并且上述氟化液流动管道外侧均有保温层。
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